基于信息融合技術(shù)的無線火災(zāi)探測報警系統(tǒng)

摘要 為了解決傳統(tǒng)火災(zāi)報警系統(tǒng)只對火災(zāi)的某一種物理或化學(xué)信號進(jìn)行探測而容易出現(xiàn)誤報和漏報的問題，將多傳感器復(fù)合探測技術(shù)和無線通信技術(shù)應(yīng)用到火災(zāi)探測報警系統(tǒng)中，設(shè)計了一種基于STM32為主控制芯片的智能分布式無線火災(zāi)探測報警系統(tǒng)，系統(tǒng)能同時采集CO濃度、煙霧濃度和溫度3個火災(zāi)參數(shù)，利用無線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用智能算法對火災(zāi)信息進(jìn)行處理和判斷。經(jīng)調(diào)試，誼系統(tǒng)能夠及時、準(zhǔn)確地預(yù)警火情。
關(guān)鍵詞 火災(zāi)探測；STM32；ZigBee技術(shù)；信息融合

    火的應(yīng)用對人類的文明發(fā)展起了重要的作用，而火災(zāi)也一直威脅著人類的生活，造成了重大的生命財產(chǎn)損失。尤其近年來，隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化程度的進(jìn)一步提高，人員密集場所數(shù)量不斷增加，火災(zāi)的發(fā)生頻率越來越大，需要社會各界引起高度重視，及時消除隱患，確保消防安全。
    目前，火災(zāi)自動探測報警系統(tǒng)的應(yīng)用廣泛，在很多地方已成為必備裝置，起到了安全保障作用。但在火災(zāi)探測報警系統(tǒng)的實際應(yīng)用中，也出現(xiàn)了許多問題，市場現(xiàn)有產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，存在產(chǎn)品功能單一、可靠性穩(wěn)定性不高；只對某一種火災(zāi)參數(shù)進(jìn)行探測，出現(xiàn)誤報漏報等諸多問題。隨著微處理器技術(shù)、傳感技術(shù)、通訊技術(shù)、控制技術(shù)和人工智能技術(shù)等的不斷發(fā)展，火災(zāi)探測報警系統(tǒng)的主要發(fā)展方向向著高可靠、低誤報漏報率及網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展。
    文中的研究目的在于提出一種基于多傳感器信息融合技術(shù)的火災(zāi)探測系統(tǒng)方案，采集多個不同的火災(zāi)特征參數(shù)，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，利用智能算法進(jìn)行處理和判斷，對火災(zāi)的發(fā)生進(jìn)行及時準(zhǔn)確的探測和報警。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計
1．1 設(shè)計思想
    (1)多傳感器復(fù)合探測技術(shù)。一般將火災(zāi)過程分為早期、陰燃、火焰放熱和衰減4個階段?；馂?zāi)早期釋放的多是燃燒氣體，主要包括CO、CO2、H2等，煙霧、火焰、熱量都較少；陰燃階段則產(chǎn)生大量的可見或不可見煙霧，火焰、熱量也不多；而火焰放熱階段則向外輻射熱量，環(huán)境溫度迅速上升。火災(zāi)信號包括許多特征參數(shù)，每個參量都或多或少地表示了火災(zāi)發(fā)生的概率。從理論上講，系統(tǒng)采用的火災(zāi)參量越多，系統(tǒng)智能化水平越高，誤報率、漏報率將會越低。因此，文中選擇煙霧濃度、溫度、CO濃度作為火災(zāi)參量進(jìn)行復(fù)合探測。
    (2)分布式火災(zāi)報警系統(tǒng)?；馂?zāi)報警系統(tǒng)一般分為火災(zāi)探測器和火災(zāi)報警控制器兩個部分。早期的系統(tǒng)多采用集中控制方式，探測器只是一個純粹的傳感器，它隨時將采集到的信號傳遞給控制器，由控制器對這些信號進(jìn)行處理、判斷得出結(jié)果。這樣系統(tǒng)成本低、信號處理算法簡單，但是當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模過大時，會產(chǎn)生控制器負(fù)擔(dān)過大、響應(yīng)速度慢、系統(tǒng)可靠性降低等不利因素。為了克服這些缺點(diǎn)，逐漸采用分布式控制方式代替集中式控制方式。于是本文的火災(zāi)探測報警系統(tǒng)采用分布智能式控制方式。
    (3)無線數(shù)據(jù)傳輸方式。傳統(tǒng)的火災(zāi)探測器的能量供給和信息傳輸通常是通過電纜線連接，在安裝過程中電纜線的鋪設(shè)，不僅費(fèi)用高、工作量大，而且有時對建筑結(jié)構(gòu)造成一定的破壞性。在一些特殊場合，如古建筑消防安全、危險化學(xué)品泄漏應(yīng)急檢測及其他人力難以達(dá)到的場所，有線式的探測器難以適用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)，采用無線通訊技術(shù)和小體積、低功耗的微傳感器，它是由部署在監(jiān)測區(qū)內(nèi)的大量微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通訊方式形成一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。因此，將火災(zāi)探測技術(shù)與無線通信技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)火災(zāi)探測的無線化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，是火災(zāi)探測研究的新方向。
    (4)火災(zāi)信號的智能算法?；馂?zāi)是一個復(fù)雜的非平穩(wěn)隨機(jī)過程。對于不同燃燒物質(zhì)和探測環(huán)境，傳感器所采集到的動態(tài)特征參數(shù)值差異很大。在火災(zāi)的探測中，傳統(tǒng)的閥值法對于火災(zāi)復(fù)雜的狀態(tài)中信號探測來說過于簡單，尤其是在報警延遲時間和報警閾值的設(shè)定過于單一。因此，將智能化算法應(yīng)用于火災(zāi)探測系統(tǒng)研究，將對提高火災(zāi)探測的可靠性以及降低火災(zāi)報警系統(tǒng)的誤報、漏報率具有重要的積極作用。
1．2 無線復(fù)合火災(zāi)探測報警系統(tǒng)
    文中研究的火災(zāi)探測報警系統(tǒng)，由STM32作為處理器，分別設(shè)計了火災(zāi)報警控制器和復(fù)合火災(zāi)探測器，形成分布式控制的火災(zāi)報警系統(tǒng)。復(fù)合探測節(jié)點(diǎn)實現(xiàn)對煙霧濃度、溫度和CO濃度信號的采集，在探測節(jié)點(diǎn)實現(xiàn)了火災(zāi)信息的處理和判斷，減輕控制器的負(fù)擔(dān)；通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸給火災(zāi)報警控制器；由火災(zāi)報警控制器進(jìn)行火災(zāi)數(shù)據(jù)的存儲和顯示以及對探測節(jié)點(diǎn)的統(tǒng)籌管理。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    (1)復(fù)合探測節(jié)點(diǎn)，通過3種傳感器采集現(xiàn)場的環(huán)境信號，利用智能算法對火災(zāi)信息進(jìn)行處理，利用ZigBee通信模塊將信息傳輸給火災(zāi)報警控制器。若發(fā)生火災(zāi)則啟動報警裝置，同時向火災(zāi)報警控制器發(fā)送火警信息，若無火災(zāi)，則定時向火災(zāi)報警控制器發(fā)送驗證信號供火災(zāi)報警控制器處理，如圖2所示。

    (2)火災(zāi)報警控制器，負(fù)責(zé)接收復(fù)合探測節(jié)點(diǎn)的信息，通過時鐘芯片記錄火災(zāi)的時間以備事后查詢，利用SD卡存儲歷史信息，在液晶屏上實時顯示相關(guān)檢測節(jié)點(diǎn)信息，在檢測到報警信息時能夠啟動報警并開啟執(zhí)行裝置，同時能定時檢測各復(fù)合探測節(jié)點(diǎn)，判定其是否正常工作，如圖3所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    目前各類型的火災(zāi)探測器MCU都是利用單片機(jī)技術(shù)，系統(tǒng)選用和8位單片機(jī)價格相當(dāng)?shù)?2位處理芯片的STM32F103RBT6作為火災(zāi)報警控制器和復(fù)合探測節(jié)點(diǎn)的主控芯。STM32F103RBT6是ST公司推出的32位微控制器，使用了先進(jìn)架構(gòu)的ARM Cortex—M3內(nèi)核，其靈活的靜態(tài)存儲器控制器能方便地與許多存儲器和外設(shè)連接，同時由于其具有豐富的片上外設(shè)，從而簡化外圍電路設(shè)計。
2．1 微控制器電路設(shè)計
    微控制器STM32F103C6最小系統(tǒng)電路包括電源電路、時鐘電路、復(fù)位電路。電源和復(fù)位電路如圖4所示。

2．2 傳感器的選擇
    系統(tǒng)中溫度傳感器采用LM35DZ，它是把測溫傳感器與放大電路做在一個硅片上，形成一個集成溫度傳感器。其靈敏度為10 mV／℃；工作溫度范圍為0～100℃；工作電壓為4～30 V；精度為±1℃。最大線性誤差為±0．5 ℃；靜態(tài)電流為80μA。其輸出電壓與攝氏溫標(biāo)呈線性關(guān)系，轉(zhuǎn)換如式(1)所示。
    Vout_LM35(T)=10 mV／℃×T℃       (1)

    溫度采集電路及運(yùn)放電路設(shè)計如圖5所示。煙霧傳感器和CO傳感器分別選用常見的MQ-2和MQ-7型氣體傳感器。這兩種傳感器均為基于二氧化錫(SnO2)的金屬半導(dǎo)體傳感器，敏感機(jī)理為被檢測氣體吸附造成的半導(dǎo)體敏感層電導(dǎo)率的變化。下面以MQ-2型氣體傳感器為例，介紹其工作原理。MQ-2型氣體傳感器對不同種類和濃度的氣體有不同的電阻值，使用MQ-2型氣體傳感器的測量電路比較簡單，如圖6所示。MQ-2型氣體傳感器的加熱端和測量輸入端均用5 V DC供電，輸出端V1經(jīng)調(diào)理輸入到MCU，V1的大小與煙霧濃度值直接相關(guān)。

2．3 ZigBee通信模塊
    ZigBee是一種近距離、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸率、低復(fù)雜度和低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它有3個工作頻段，分別為868 MHz,915 MHz和2．4 CHz。其中，868MHz和915 MHz頻段為歐美國家使用。而2．4 GHz頻段則為全球通用的免費(fèi)ISM(Industrial ScientificMedical)頻段，該頻段16個信道，數(shù)據(jù)傳輸率為250 kbit·s-1。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)基于DSSS擴(kuò)頻技術(shù)，采用CSMA／CA的信道接入方式，節(jié)點(diǎn)間的通信距離介于10～100 m，加上PA模塊后可達(dá)千米。
    文中無線通信模塊選用順舟科技SZ05系列Z-Bee嵌入式無線串口通信模塊，采用加強(qiáng)型的ZigBee無線技術(shù)，它具有通訊距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn)和特性；可實現(xiàn)多設(shè)備間的數(shù)據(jù)透明傳輸；可組Mesh型的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    從整體上看，可以將系統(tǒng)軟件分為兩個部分：火災(zāi)報警控制器軟件程序和復(fù)合探測節(jié)點(diǎn)軟件程序。系統(tǒng)采用模塊化的編程思想，把軟件系統(tǒng)化為多個功能模塊，主程序通過調(diào)用各子程序來完成復(fù)雜功能的實現(xiàn)。
    系統(tǒng)為確保各個節(jié)點(diǎn)都處于正常工作的狀態(tài)，報警控制器定時根據(jù)接收到的各節(jié)點(diǎn)的ID號判斷各節(jié)點(diǎn)是否正常工作。若火災(zāi)報警控制器在一段時間內(nèi)未收到某一復(fù)合探測節(jié)點(diǎn)的ID號信息，則判定該節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，在顯示屏上顯示相關(guān)信息并報錯以便工作人員能及時處理。
3．1 復(fù)合探測節(jié)點(diǎn)的火災(zāi)算法設(shè)計
    把采集到的溫度、煙霧和CO數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實際的溫度值、煙霧濃度值和CO濃度值，并提取相關(guān)數(shù)字量用來判斷是否有火災(zāi)發(fā)生?；馂?zāi)判斷根據(jù)以下6個變量：溫度值T、煙霧值S、CO值C、溫度上升量△T、煙霧上升量△S和CO上升量△C。當(dāng)溫度、煙霧或者CO值達(dá)到閾值時，進(jìn)行火災(zāi)預(yù)警，接著關(guān)注△T／、△S或者△C是否達(dá)到閾值，如果是則判斷火災(zāi)發(fā)生，發(fā)出報警并將信息傳送給火災(zāi)報警控制器，否則返回預(yù)警狀態(tài)?；馂?zāi)判斷流程如圖7所示。

3．2 火災(zāi)報警控制器的軟件設(shè)計
    主程序主要包括對STM32芯片的通信程序、SD卡存儲程序、LCD顯示程序等。當(dāng)火災(zāi)報警控制器接收到探測節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息后，存儲在一個循環(huán)隊列中，在主界面上顯示出相關(guān)的探測節(jié)點(diǎn)信息。當(dāng)判斷有異常情況發(fā)生時，顯示出異常情況并保存異常信息，同時觸發(fā)報警電路，以提示工作人員?；馂?zāi)報警控制器軟件流程，如圖8所示。

4 實驗及結(jié)論
    為驗證該系統(tǒng)對火災(zāi)監(jiān)測和通信的可靠性，對火災(zāi)復(fù)合探測節(jié)點(diǎn)和火災(zāi)報警控制器進(jìn)行測試，該系統(tǒng)監(jiān)測的部分環(huán)境數(shù)據(jù)如表1所示。

    由復(fù)合節(jié)點(diǎn)探測的數(shù)據(jù)可以看出，在火災(zāi)的明火階段釋放大量的熱，溫度變化非?？?；在時間相對較長的陰燃階段，主要以釋放氣體和煙霧為主，溫度變化比較小；在干擾的情況下，雖然煙霧和CO輸出值超過閾值，但是其變化值都很小，可以判斷為火災(zāi)干擾。實驗表明，采用嵌入式技術(shù)、ZigBee無線通信技術(shù)和復(fù)合探測技術(shù)的火災(zāi)探測報警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，火災(zāi)算法容易實現(xiàn)，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)之間的信息傳送穩(wěn)定可靠，可以有效地檢測火災(zāi)信號，及早地發(fā)現(xiàn)火情。